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淺析高性能疏水防污涂料及其應(yīng)用！
來源:富涂
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作者:fuduo
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發(fā)布時(shí)間: 2954天前
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疏水涂料能使固體底物很好地直接隔離水和空氣、酸雨及陽光的直接接觸，從而減少或延緩腐蝕，提高材料的使用壽命。我們通過長(zhǎng)期的開發(fā)研究和市場(chǎng)應(yīng)用跟蹤，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)改性技術(shù)和機(jī)械乳化技術(shù)制備了溶劑型和水性有機(jī)硅氟涂料，研究了這些涂料的性能，探討了它們?cè)趦?nèi)外墻、石材、陶瓷、水泥制品、衛(wèi)生間的防水抗污處理和混凝土公路橋梁養(yǎng)護(hù)、文物保護(hù)中的一些應(yīng)用，大部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
疏水涂料能使固體底物很好地直接隔離水和空氣、酸雨及陽光的直接接觸，從而減少或延緩腐蝕，提高材料的使用壽命。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，腐蝕是能量和材料損失的主要原因，全球每年因腐蝕而損失 1/5 的能量和 4.2% 的國(guó)民生產(chǎn)總值（GNP），單獨(dú)美國(guó)估計(jì)就有超過一千億美元的經(jīng)濟(jì)損失。
有機(jī)硅氟材料具有優(yōu)異的耐候性、高溫穩(wěn)定性、防腐蝕性和低的表面張力，是高性能涂料（即高耐候性、高耐沾污染、高保色性和低毒性）的首選材料，特別是水性有機(jī)硅涂料已在建筑領(lǐng)域得到有效應(yīng)用，然而國(guó)內(nèi)以水和低毒的溶劑汽油為介質(zhì)的高性能涂料的成功開發(fā)應(yīng)用很少見到報(bào)導(dǎo)。
我們通過長(zhǎng)期的開發(fā)研究和市場(chǎng)應(yīng)用跟蹤，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)改性技術(shù)和機(jī)械乳化技術(shù)制備了溶劑型和水性有機(jī)硅氟涂料，研究了這些涂料的性能，探討了它們?cè)趦?nèi)外墻、石材、陶瓷、水泥制品、衛(wèi)生間的防水抗污處理和混凝土公路橋梁養(yǎng)護(hù)、文物保護(hù)中的一些應(yīng)用，大部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 主要原料
四乙氧基硅烷（TEOS）、含氫硅油、羥基硅油、功能性聚硅氧烷、硅烷、助劑為市售工業(yè)品，含氟樹脂 FS 防污劑、催化劑、乳化劑為自制樣品。
圖 1 溶劑型硅氟涂料(1)(2)
和水性有機(jī)硅涂料(3)(4)的配制圖示
1.2 配制方法
分別按圖 1 所示的方法制備兩種溶劑型氟硅防護(hù)涂料和兩種水性有機(jī)硅防護(hù)涂料。
2 結(jié)果與討論
2.1 溶劑型疏水防污涂料的性能及表征
我們將較小分子的低聚硅氧烷或硅烷混合，在催化劑作用下水解成活性成分，在有機(jī)醇分子和分散穩(wěn)定劑的作用下可穩(wěn)定一段時(shí)間，隨著溶劑的揮發(fā)，這些活性分子互相靠近而聚合成具有較高強(qiáng)度的大分子網(wǎng)絡(luò)。由于初始分子量小，NFGS 涂料對(duì)底材滲透性優(yōu)異，活性基團(tuán)與底物牢固結(jié)合，粘附力強(qiáng)（1 級(jí)，見表 1），同時(shí)在干燥過程中低表面能的基團(tuán)或分子一定程度排向空氣一側(cè)，涂膜具有明顯的疏水防污性，水接觸角高達(dá) 100° 以上。這些活性分子在催化劑作用下反應(yīng)交聯(lián)，交聯(lián)密度高，強(qiáng)度大（9H），防腐蝕性優(yōu)良。
圖 2 是 NFGS 的熱失重分析 TGA 曲線表明涂膜在670℃時(shí)只失重 10%,具有優(yōu)良的耐熱性,與元素有機(jī)化合物的高溫穩(wěn)定性相一致。
圖 3 是 NFGS 的 FTIR 紅外光譜圖。圖中除清楚見到聚合的 Si-O-Si 特征峰和 C-H 吸收峰外，還可見2168cm-1 的 Si-H 吸收峰，SiO-H 峰很弱。
圖 3 溶劑型 NFGS 的 FTIR
2168cm-1 的 Si-H 吸收峰，SiO-H 峰很弱。
含氟樹脂防污涂料 FS 系列具有優(yōu)異的耐候性和疏水防污性已廣泛地應(yīng)用文化石和外墻涂料上，經(jīng)其處理的底材基本不改變?cè)械纳屎凸鉂?，但其表面硬度較低，只有 2B，Tg 低于 100℃，并且成本較高。將有機(jī)硅改性含氟樹脂涂料，除可降低涂料的價(jià)格外，還可提高涂料的硬度(2H)和附著力。此外，在差示掃描量熱儀 DSC 測(cè)試中還可看到改性復(fù)合涂料 NFS 具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg（275℃，見圖 4）。
2.2 水性有機(jī)硅疏水防污涂料
水性有機(jī)硅疏水防污涂料以水為分散介質(zhì)，明顯具有環(huán)保、節(jié)能、減排和經(jīng)濟(jì)效益，它的目標(biāo)之一就是達(dá)到或接近溶劑型涂料的性能，在處理多孔無機(jī)底材場(chǎng)合中非常合適。圖 1 中列出了水稀釋和水乳型有機(jī)硅兩種水性憎水防污涂料的配制方法。它們的性能列于表 2 中。
表 2 是兩種水性有機(jī)硅疏水防污涂料的一些主要性能，水稀釋有機(jī)硅涂料具有儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、高硬度及其成膜憎水防污保色性，水乳液型有機(jī)硅涂料具有自交聯(lián)成膜、憎水防污和保色性能。
圖 5 是水性有機(jī)硅疏水防污涂料的紅外光譜圖。圖5 中可見水稀釋有機(jī)硅涂膜（water dilutable）中含有一定的羥基（3500cm-1 附近的寬吸收峰）和 C-H（2900cm-1附近）鍵，有機(jī)硅在催化劑作用下充分水解成 Si-OH 并交聯(lián)固化成高硬度的聚合物；同時(shí)可見水乳液型有機(jī)硅涂料（emulsion）在 2171cm-1 為涂膜殘留的 Si-H 吸收峰，而在 3300～3500cm-1 附近沒有明顯的 O-H（Si-OH）吸收峰，羥基硅油中的絕大部分 Si-OH 參與了交聯(lián)反應(yīng)。
圖 5 水性有機(jī)硅涂料的 FTIR
2.3 疏水涂料的應(yīng)用探討
本文結(jié)合本課題組的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)，著重探討這些疏水涂料在內(nèi)外墻、石材、陶瓷、水泥制品等防水抗污表面處理中的應(yīng)用。
圖 6 是兩種溶劑型疏水防污涂料的應(yīng)用效果圖。經(jīng)NFGS 和 NFS 處理的水泥制品都有顯著的憎水荷葉效
圖 6 溶劑型疏水防污涂料的疏水防污性
我們通過長(zhǎng)期的開發(fā)研究和市場(chǎng)應(yīng)用跟蹤，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)改性技術(shù)和機(jī)械乳化技術(shù)制備了溶劑型和水性有機(jī)硅氟涂料，研究了這些涂料的性能，探討了它們?cè)趦?nèi)外墻、石材、陶瓷、水泥制品、衛(wèi)生間的防水抗污處理和混凝土公路橋梁養(yǎng)護(hù)、文物保護(hù)中的一些應(yīng)用，大部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 主要原料
四乙氧基硅烷（TEOS）、含氫硅油、羥基硅油、功能性聚硅氧烷、硅烷、助劑為市售工業(yè)品，含氟樹脂 FS 防污劑、催化劑、乳化劑為自制樣品。
圖 1 溶劑型硅氟涂料(1)(2)
和水性有機(jī)硅涂料(3)(4)的配制圖示
1.2 配制方法
分別按圖 1 所示的方法制備兩種溶劑型氟硅防護(hù)涂料和兩種水性有機(jī)硅防護(hù)涂料。
2 結(jié)果與討論
2.1 溶劑型疏水防污涂料的性能及表征
我們將較小分子的低聚硅氧烷或硅烷混合，在催化劑作用下水解成活性成分，在有機(jī)醇分子和分散穩(wěn)定劑的作用下可穩(wěn)定一段時(shí)間，隨著溶劑的揮發(fā)，這些活性分子互相靠近而聚合成具有較高強(qiáng)度的大分子網(wǎng)絡(luò)。由于初始分子量小，NFGS 涂料對(duì)底材滲透性優(yōu)異，活性基團(tuán)與底物牢固結(jié)合，粘附力強(qiáng)（1 級(jí)，見表 1），同時(shí)在干燥過程中低表面能的基團(tuán)或分子一定程度排向空氣一側(cè)，涂膜具有明顯的疏水防污性，水接觸角高達(dá) 100° 以上。這些活性分子在催化劑作用下反應(yīng)交聯(lián)，交聯(lián)密度高，強(qiáng)度大（9H），防腐蝕性優(yōu)良。
表 1 溶劑型防護(hù)涂料的性能
圖 3 是 NFGS 的 FTIR 紅外光譜圖。圖中除清楚見到聚合的 Si-O-Si 特征峰和 C-H 吸收峰外，還可見2168cm-1 的 Si-H 吸收峰，SiO-H 峰很弱。
2168cm-1 的 Si-H 吸收峰，SiO-H 峰很弱。
含氟樹脂防污涂料 FS 系列具有優(yōu)異的耐候性和疏水防污性已廣泛地應(yīng)用文化石和外墻涂料上，經(jīng)其處理的底材基本不改變?cè)械纳屎凸鉂?，但其表面硬度較低，只有 2B，Tg 低于 100℃，并且成本較高。將有機(jī)硅改性含氟樹脂涂料，除可降低涂料的價(jià)格外，還可提高涂料的硬度(2H)和附著力。此外，在差示掃描量熱儀 DSC 測(cè)試中還可看到改性復(fù)合涂料 NFS 具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg（275℃，見圖 4）。
水性有機(jī)硅疏水防污涂料以水為分散介質(zhì)，明顯具有環(huán)保、節(jié)能、減排和經(jīng)濟(jì)效益，它的目標(biāo)之一就是達(dá)到或接近溶劑型涂料的性能，在處理多孔無機(jī)底材場(chǎng)合中非常合適。圖 1 中列出了水稀釋和水乳型有機(jī)硅兩種水性憎水防污涂料的配制方法。它們的性能列于表 2 中。
圖 5 是水性有機(jī)硅疏水防污涂料的紅外光譜圖。圖5 中可見水稀釋有機(jī)硅涂膜（water dilutable）中含有一定的羥基（3500cm-1 附近的寬吸收峰）和 C-H（2900cm-1附近）鍵，有機(jī)硅在催化劑作用下充分水解成 Si-OH 并交聯(lián)固化成高硬度的聚合物；同時(shí)可見水乳液型有機(jī)硅涂料（emulsion）在 2171cm-1 為涂膜殘留的 Si-H 吸收峰，而在 3300～3500cm-1 附近沒有明顯的 O-H（Si-OH）吸收峰，羥基硅油中的絕大部分 Si-OH 參與了交聯(lián)反應(yīng)。
2.3 疏水涂料的應(yīng)用探討
本文結(jié)合本課題組的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)，著重探討這些疏水涂料在內(nèi)外墻、石材、陶瓷、水泥制品等防水抗污表面處理中的應(yīng)用。
圖 6 是兩種溶劑型疏水防污涂料的應(yīng)用效果圖。經(jīng)NFGS 和 NFS 處理的水泥制品都有顯著的憎水荷葉效
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